Comparaison d`une méthode de diffusion et d`une méthode

Transcription

SCIENCE DU SOL - 1993 - Vol. 31, 3, 97-107
Comparaison d'une méthode de diffusion et
d'une méthode géochimique pour estimer la production
racinaire de CO 2
R.DURAND
N. BELLON *
RÉSUMÉ
La respiration racinaire de maïs cultivés en pot est estimée par deux méthodes
faisant appel aux teneurs en carbone dans les phases gazeuses et liquides du sol. La
première méthode utilise le profil de concentration en CO 2 dans le sol ; elle suppose
que CO 2 respiré diffuse en phase gazeuse dans un système stratifié. La production de
CO 2 peut être calculée si le système est en état stationnaire, et si le profil est imperméable aux gaz en profondeur. La deuxième méthode utilise la teneur en CO 2 de la
phase gazeuse et la concentration de la solution du sol correspondante dans le même
horizon. La production de CO 2 est calculée d'après la cinétique de neutralisation de
CO 2 aqueux, en supposant que la réaction à l'interface gaz - solution n'est pas limitante.
Les respirations obtenues par les deux méthodes sont du même ordre de grandeur,
mais la méthode géochimique donne toujours des résultats légèrement supérieurs.
Mots-clés: respiration racinaire - système C02-H20 - diffusion gazeuse - cinétique.
COMPARISON OF DIFFUSION AND GEOCHEMICAL METHODS TO ASSESS ROOT
RESPIRATION
Root respiration of corn grown in pot is computed by using two methods, which take
into account the carbon contents of gaseous and aqueous soil phases (Table Il). The
first method, the soil CO2 profile method, calcula tes C02 diffusion out of a multilayer
soi/. The layers may have different depths. Each one has a determined CO2 production
and CO2 diffusion coefficient. These properties may not change in any part of the layer
and with time. The root CO2 output may be calculated in steady-state conditions, and if
the bottom layer is impervious to gas. The knowledge of the fraction of porosity available
for gas is needed to apply these equations. The second method, the geochemical
method, computes the carbon dioxide exchanges between the solution and the gas in a
soil layer. The fluxes are obtained by using the kinetics of CO2 hydratation reactions.
The first step of the reactions is CO2 dissolution or degassing. The second step is
taking place in solution: CO2 enters in combination with H2 0 or OH-. The kinetic
constants of reactions in solution are known (table 1), but not the kinetic constants of
CO2 dissolution or degassing. This geochemical method implies that the flux through the
gas-liquid interface is raster than the reactions in solution. The thermodynamic driving
* I.N.R.A., BP 2078 - 06606 ANTIBES Cedex
Association Française pour l'Etude du Sol - www.afes.fr - 2010
97
R. DURAND - N. BELLON
force is the difference between the theoretical equilibrium pressure of CO2 and
measured pC02 . In this case, the water content of soil is needed to calcula te soil
respiration. The results obtained with both methods are of the same order of magnitude
(Table III), but the geochemical method always gives larger fluxes of root respiration
than the soil CO2 profile method.
Keywords : root respiration - CO2 - H20 system - gas diffusion - kinetics.
INTRODUCTION
La production de gaz carbonique dans le sol est un terme important dans le cycle
global du carbone. L'émission de CO 2 résulte de la respiration des racines et des
microorganismes; elle dépend aussi, en milieu calcaire, des cycles de dissolution et de
reprécipitation de la calcite. Les quantifications des rejets de carbone par les sols ont
été réalisées par plusieurs méthodes (DE JONG et al., 1979 ; GLINSKI et
STEPNIEWSKI, 1985) : la méthode de la chambre où C02 rejeté par le sol est retenu
dans une enceinte, la méthode micrométéoro10gique qui mesure le gradient de
concentration en CO 2 dans et au-dessus de la végétation, et la méthode du profil de
concentration en CO 2 dans le sol. La méthode de la chambre et la méthode
micrométéoro10gique peuvent donner des résultats éloignés de ceux obtenus par la
méthode du profil de C02 dans le sol (DE JONG et al., 1979). Une autre méthode a été
proposée (KELLER et al., 1987). Elle utilise la composition de la solution et du gaz du
sol ; elle est fondée sur les cinétiques d'hydratation de C02 et de déshydratation de
H 2C0 3. La validation de cette dernière méthode a donc été testée, en comparaison avec
la méthode du profil de CO 2, dans des expériences de culture en laboratoire.
l - THÉORIE
10 Modèle fondé sur la diffusion en phase gazeuse dans un profil multicouche
Le modèle de calcul est adapté des modèles de Glinski et Stepniewski (1985) et de
Jong et Schappert (1972). Il comprend trois hypothèses de base.
- Le substrat est constitué de plusieurs couches, qui ont des épaisseurs et des
caractéristiques physiques différentes, mais qui ont chacune des propriétés homogènes.
- Il existe une couche imperméable à la base du profil qui empêche la diffusion en
profondeur du gaz.
- La diffusion s'effectue à l'état stationnaire, ce qui implique qu'il n'y ait pas
accumulation de CO 2 dans une strate, résultant d'une variation dans un espace de temps
réduit de la production de CO 2 ou de la diffusion.
En un point donné du profil, la production de CO 2 est qi mole.s- 1 par m 3 de sol. La
couche i à une épaisseur hi = zi - zi-l (Figure 1). Pour une surface unitaire, la
production de la couche i est:
Qi = qi hi
en mole.m- 2.s- 1
(Al)
En un point de profondeur z, avec les hypothèses énoncées, le flux diffusif vers la
surface est égal à la production de CO 2 entre les profondeurs z et zn :
98
RESPIRATION RACINAIRE
dC
j=n
Di _z_ = (zi-z) qi + Djqj
dZ
j=i+l
(A2)
avec Di coefficient de diffusion apparent dans la couche i, et Cz concentration en C02
dans l'air du sol en mole m- 3 . Après intégration par rapport à z entre zi et zi-l' on
obtient aux limites de la couche:
2D.
qi = (Ci-Ci-l)
2 j=n
h.~ - h- .~hjqj
1
1
(A3)
J=1+1
La loi des gaz parfaits permet d'exprimer la concentration en CO 2 sous forme de
pression partielle:
2D.
2 j=n
q' = (p--p. 1) _1 __ "'h'q'
1
1 1RTh. 2 h .. ~'J J
1
1 J=1+1
(A4)
avec R constante des gaz parfaits, et T température absolue. Dans cette équation, le
coefficient de diffusion apparent peut être exprimé en fonction de DT le coefficient de
diffusion de C02 dans l'air à la température T, suivant la relation empirique:
Di = aEf DT
(AS)
avec Ei porosité à l'air de la couche i, a et b paramètres d'ajustement pour un milieu
poreux. Les valeurs employées pour ces paramètres de structure sont a=0,6 et b=1
(PENMAN, 1940). Le coefficient DT est obtenu à partir de la valeur du coefficient de
diffusion DO à 273,lsoK, d'après la corrélation empirique de Fuller, Schettler et
Giddings (REID et al., 1977) :
DT=Do (
T _,1,75
n'Y
(A6)
D'où l'expression du coefficient de diffusion qui est utilisée dans l'équation A4 de
production de C02 :
DT =0, 6Ei (
T _,1,75
n'Y
Do
(A7)
La valeur du coefficient de diffusion de la loi de Fick DO, proche de celle du coefficient
de diffusion binaire CO 2 - air pour les faibles teneurs en CO 2 (JAYNES et
ROGOWSKI, 1984) est 1,39.1O- 5 m 2 .s- 1 (MARRERO et MASON, 1972 ;
PRITCHARD et CURRIE, 1982).
La production totale du sol par unité de surface est donnée par:
j=n
Q= ~).q'
. 1J J
(A8)
J=
99
- - -
c.
~
Zi_ll---_ _ _......:~
---~~--~~---~---
~--~---
Figure 1 : Schéma du profil de concentration en CO 2
dans un sol multicouche.
Profile of CO2 content in a multilayered sail.
Z
z.J.
Z
n
20 Modèle fondé sur la cinétique chimique
L'établissement de ce modèle utilise en partie les développements de KELLER et al.
(1987), et il repose sur la synthèse de Kem (1960) relative aux cinétiques d'hydratation
deC02·
Le gaz carbonique se trouve sous deux formes en solution: C02(aq) et H2C0 3. La
concentration analytique totale de C02 dissous est (STUMM et MORGAN, 1970) :
[H 2C0 3*1
= [C0 2(aq)] + [H2C0 3]
(BI)
L'hydratation et la neutralisation de C02(aq) se produisent selon les deux voies
suivantes:
(B2)
k OHCO 2(aq) + OH- ~~HC03
kHCOi
(B3)
Les deux réactions précédentes se produisent en solution. CO 2(aq) subit également des
échanges avec la phase gazeuse. La réaction cinétique à l'interface gaz - solution est la
suivante:
k ,
(B4)
CO 2 (aq ) 4l!l~~~~--~- degazage_~ CO 2(g)
kdissol
Le flux de variation de CO 2 (aq) est la somme des flux des trois réactions
précédentes :
J = - [C02(aq)] {kC02[H20]+kOW[OW]+kdégazage} +kH 2C0 3 [H2 C0 3]
+kHCO:ï[HC03]+kdissol pC0 2(g)
(BS)
Ce flux est positif pour la formation de CO 2(aq) à partir de H 2C0 3, HC0 3, et CO 2(g).
La variation de [C02(aq)] est limitée soit par la réaction de dissolution - évaporation
(équation B4), soit par les réactions en solution (équations B2 et B3). La cinétique de
dissolution - évaporation de CO 2 n'est connue que pour quelques configurations
100
géométriques simples de l'interface gaz - solution (ROQUES, 1964). En l'absence de
données sur la cinétique à l'interface dans un milieu poreux, il est supposé que cette
réaction n'est pas limitante. Cette hypothèse peut se justifier par le grand
développement de l'interface vis-à-vis du volume des phases gazeuse et liquide. Dans
ces conditions, les réactions directes et inverses de B4 sont égales, et le flux de
dégazage de la solution est égal au flux de formation de C02(aq) à partir de H2C03 et
HC0 3-. L'équation BS se simplifie:
J == -[C02(aq)] {kC02 [H 20]+kOW[OW] }+kH2C03[H2C03]+kHC03 [HC0 3-] (B6)
La teneur en CO 2(aq) peut alors être exprimée en fonction de pC02 en phase
gazeuse d'après BI et la loi de Henry:
KI kCO kHCO [C0 2(aq)] == p C0 2 KH { 1- ___2 -~ }
Kw kH2C03 kOH
(B7)
avec KI == (H+) (HC03-)l(H2C03*) et KW =(H+)(OH-). On obtient d'après les valeurs
des constantes à 2SoC (Tableau 1) :
(B8)
La relation simplifiée B9 est utilisée par la suite dans l'équation B6
(B9)
[C02 (aq)] "" K HPC0 2
d'où
J == -KHPC02{kC02[HP]+kOW[OH-]}+kH2C03[H2C03]+kHC03[HC03]
(BlO)
La pression partielle équilibrante de la solution pC02eq correspond à une vitesse
égale des réactions directes et inverses de B2 et B3. On peut alors écrire les deux
relations suivantes:
kC0 2KH p C0 2eq[H 20] == kH2C03[H2C03]
(Bll)
kOH-KH pC02eq[OH-] == kHC03·[HC03-]
(BI2)
En reportant dans l'équation B 10, on obtient l'équation du flux de dégazage de la
solution:
(B13)
Les valeurs des constantes de cette équation varient en fonction de la température
(Tableau 1).
L'équation du flux de dégazage B13 fait apparaître comme premier terme une force
thermodynamique de transfert, qui est la différence entre la pression partielle
équilibrante de la solution et la pression partielle dans la phase gazeuse. Cette
expression de la force est différente de celle obtenue à partir de la thermodynamique
des processus irréversibles (MIGNARD et BÉNET, 1986). Le deuxième terme de
l'équation du flux varie en fonction de la température, du pH, et de l'activité de l'eau.
L'activité de l'eau étant liée à son potentiel (BOURRIÉ et PÉDRO, 1979), le dégazage
de la solution sera influencé par la structure du milieu poreux.
101
Tableau 1 : Équations exprimant la variation en fonction de la température, des constantes
thermodynamiques et cinétiques du système CO 2-H 20.
The effect of temperature on the ionization and kinetic constants in CO2 -H2 0 system.
Constantes thermodynamiques
références
= 6,0875 - 4470,99/T - 0,01706 T
Harned et Owen (1958)
log KH = -13,417 + 2299,6/T + 0,01422 T
log Ki = 14,8435 - 3404,71!T - 0,03279 T
Harned et Davis (1943)
Harned et Davis (1943)
log Kw
Constantes cinétiques
log kC0 2 := 329,85 - 110,541 logT-17625,4/T
log kOW
= 13,635 - 2895/T
Pinsent et al. (1956)
Pinsent et al. (1956)
L'équation B 13 donne le flux dégagé correspondant à un volume unitaire de
solution. Pour connaître la production de CO 2 dans un sol, il suffit de multiplier le flux
d'un volume d'eau unitaire par la quantité d'eau contenue dans une surface unitaire de
sol.
II - MATÉRIELS ET MÉTHODES
Des maïs sont cultivés en pots sur sable siliceux et sur sable calcaire. Les plants sont
élevés en serre jusqu'au stade 5 à 6 feuilles. A ce stade, les expérimentations sont conduites en laboratoire pendant deux semaines. A la fin des expériences, les maïs atteignent le stade 9-10 feuilles. Différentes expériences sont réaliséc;s successivement avec
des plants différents. Chaque expérience avec de nouveaux plants est indiquée par une
lettre différente. L'éclairage sur les feuilles supérieures est de 100 IlEinstein.m-2.s-1
pendant 12 heures par jour pour les expériences D et E, de 400 à 900 IlEinstein·m-2.s-1
pendant 9 heures par jour pour les expériences F, G, H et 1. Les pots sont alimentés avec
des solutions nutritives contenant Ca++, Mg++, K+, N03-, S04=' P, et des oligoéléments. Les concentrations en éléments majeurs varient de 0,1 à 3 eq.m- 3. Les pots
ont une section de 80 cm 2 , et une profondeur de 10 cm. L'arrosage est effectué en
continu, avec un flux de 3,1.10- 8 à 3,6.1O- 8m 3.s- I . Ce flux est compris entre 30 et 40 %
du volume poral total par heure, et il représente de 20 à 100 fois l'évapotranspiration du
maïs. La fourniture de solution nutritive est poursuivie pendant les prélèvements de gaz.
Il s'établit un régime stationnaire.
Les gaz sont prélevés à trois profondeurs : 4 ou 5 cm, 7 cm et 10 cm, à l'aide de
dispositifs en tube inox installés avant plantation des maïs. Ces tubes, de diamètre
"1/8", possèdent à leur partie inférieure des chambres d'accumulation d'environ
1/4 cm3 . Le tube est fermé à la partie supérieure par un septum. Des prélèvements de
1 cm3 sont effectués successivement à chaque profondeur avec des seringues, pour
analyse par chromatographie avec un catharomètre.
Les pH des solutions sont mesurés à intervalles de 10 ou 15 mn sur chaque voie à
l'aide d'électrodes implantées en permanence dans des cellules. Les solutions de
drainage sont prélevées pour analyse à la sortie des cellules de mesure du pH. Les
102
- - _ . _ - - - - - - - . - . - _ . _ - _.. _ . _ . _ - - _ . _ - _ . _ - . _ -
carbonates sont obtenus d'après la mesure de l'alcalinité. Les activités ioniques et les
équilibres entre les phases sont calculés sur un microordinateur Macintosh avec un
logiciel écrit en Basic compilé.
III - RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
Les teneurs en CO 2 de l'atmosphère du sol sont environ deux fois plus élevées sous
les maïs cultivés en milieu siliceux qu'en milieu calcaire (Tableau 11). Ceci résulte d'une
activité métabolique plus forte, liée à un développement plus important des plants de
maïs.
La solution nutritive étant fournie en continu, il s'établit un régime stationnaire entre
la production racinaire continue de CO 2 et la sortie de carbone hors du dispositif
expérimental sous forme gazeuse ou liquide. La variation cyclique journalière de la
respiration ne perturbe pas le système, car les augmentations et diminutions de
production sont lentes. De plus, l'exportation sous forme liquide est faible : elle ne
représente que 1 à 15 % de l'effusion gazeuse.
Les teneurs en CO 2 montrent en général une diminution de la concentration depuis
la profondeur jusqu'à la surface. Le gradient résulte d'une diffusion non limitante vers la
surface. Les hypothèses nécessaires à l'application du modèle de diffusion sont
satisfaites. Les pressions partielles équilibrantes, calculées à partir des compositions des
solutions de drainage, sont en moyenne 3 à 4 fois plus élevées que les pC0 2 mesurées
en profondeur. Il apparaît donc un gradient de pression partielle qui assure le dégazage
de la solution, et qui permet l'application du modèle de cinétique chimique.
La production est calculée pour une plante, d'après la surface des pots et le nombre
de plantes par pot (Tableau III). La production est légèrement plus élevée en milieu
siliceux qu'en milieu calcaire. Les valeurs sont soit comparables aux intensités de la
respiration racinaire du maïs publiées antérieurement (HARRIS et VAN BAVEL, 1957
; MASSIMINO et al., 1980, 1981), soit 10 fois plus fortes (HALLER et STOLP, 1985).
Les valeurs de production obtenues par les deux modèles sont du même ordre de
grandeur, mais elles présentent un écart systématique. En milieu siliceux, le rapport
entre la production d'après les modèles de cinétique et de diffusion est en moyenne de
1,5 ; le rapport est de 1,8 en milieu calcaire. La divergence peut provenir de la validité
des modèles ou de la précision des données.
Le modèle de cinétique chimique a été simplifié en considérant que la réaction à
l'interface gaz - liquide n'était pas limitante, mais il est possible que le changement de
phase ralentisse le dégazage de la solution. La conséquence serait une augmentation de
la concentration en CO 2(aq), et donc de la pression partielle équilibrante. La production
de C02 serait surestimée. Les valeurs des coefficients cinétiques, qui ont été établies
par une méthode manométrique, sont corrigées pour limiter l'effet de la diffusion à
travers l'intelface gaz - liquide (PINSENT et ROUGHTON, 1951). La correction reste
inférieure à 10 %. Or, une diminution de 10 % des coefficients cinétiques, qui tiendrait
compte du changement de phase, ne permet d'expliquer que partiellement les
différences expérimentales entre les deux méthodes.
L'application du modèle de diffusion multicouche nécessite la connaissance de la
103
Tableau Il : Teneurs en CO 2 mesurées (en atm) dans l'atmosphère du substrat et pressions
partielles équilibrantes calculées d'après la composition de la solution.
CO2 contents (in atm) measured in the atmosphèee of the growing media and
calculated contents of CO2 in equilibrium with the solutions.
maïs cultivé sur silice
pH
Observations
Di
D3
E1
E2
E2
E3
E3
E3
E4
E4
E4
E4
E4
F
F
F
F
F
F
F
G
G
G
G
G
G
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
1
1
1
1
104
2
moy
moy
5
6
2
3
4
1
2
3
4
5
1
3
5
6
8
9
9
1
2
8
9
14
17
1
2
4
5
7
8
11
13b
17b
19
22b
23
24
25
7
8
9
13
moy
6,13
6,12
6,07
5,65
5,63
6,39
6,34
5,41
5,43
5,94
6,09
6,03
5,94
6,12
5,86
5,92
5,84
5,70
5,51
5,56
5,51
5,31
5,46
6,18
6,23
6,28
6,42
6,21
6,30
6,01
6,19
6,06
6,15
6,21
6,19
6,22
6,07
6,15
pC0 2 mesuré
4/5 cm
1,6.10-4
2,8,10-3
9,0,10- 4
8,3,10-4
8,9,10- 4
3,7,10- 3
3,0,10- 3
2,2,10-3
2,1.10-3
1,9,10-3
2,5,10- 3
2,6,10-3
5,9,10- 3
9,9,10- 4
1,3,10-3
1,5,10-3
1,7,10-3
1,7,10-3
1,5,10-3
1,3,10-3
7cm
7,9,10- 4
3,0,10- 3
9,0,10- 4
9,0,10- 4
8,8,10- 4
4,0,10- 3
3,3,10- 3
2,3,10- 3
2,4,10- 3
2,0,10-3
5,4,10- 3
4,0,10- 3
6,4,10- 3
8,4,10- 4
1,2,10-3
2,0,10- 3
2,1.10- 3
2,5,10-3
1,7,10-3
3,0,10- 3
2,0,10-3 2,8,10-3
1,8,10-3 2,8,10-3
1,9,10-3
2,0,10-3
1,1.10-3
1,5,10-3
1,510-3
2,6,10- 3
2,7,10-3
1,3,10-3
1,6,10-3
1,7,10-3
1,5,10-3 1,8,10-3
1,2,10-3
1,8,10-3
1,2,10-3
1,7,10-3
1,5,10-3
1,9,10-3
1,5,10-3
2,2,10-3
1,6,10-3
2,0,10-3
1,6,10-3
1,6,10-3
1,8,10-3
1,7,10-3
2,0,10-3
1,2,10-3
1,9,10-3
1,7,10-3
2,0,10-3
1,7,10-3
2,6,10- 3
2,6,10-3
2,0,10- 3
2,6,10- 3
2,3,10-3
10 cm
9,0,10- 4
2,4,10-3
1,0,10-3
8,7,10- 4
1,1.10-3
5,6,10- 3
4,8,10- 3
2,3,10- 3
pC0 2
maïs cultivé sur calcaire
pH
équil.
9,0,10- 3
6,1.1 0- 3
3,1.10- 3
8,7,10- 4
1,1.10-3
5,3,10- 3
3,0,10- 3
2,7,10-3
6,99
7,23
7,20
7,50
7,34
7,12
7,12
7,36
1,0,10-2 2,1.10- 2 7,35
7,34
1,1.10-2 3,6,10- 2 7,32
9,0,10- 3 2,3,10- 2 7,21
2,2,10-3 1,0,10-2 7,22
7,6,10- 3 6,99
4,5,10- 3 7,07
1,4,10-2 7,00
7,0,10- 3 7,04
1,0,10-2 7,20
1,2,10-2
2,1.10-3 1,6,10-2 7,54
2,8,10-3 1,4,10-2 7,55
1,9,10-2 7,58
2,8,10- 3 9,9,10- 3
2,6,10-3 1,0,10-2 7,57
9,2,10- 3 7,61
1,3,10-3 4,9,10- 3 7,79
1,6,10-3 3,1.10- 3 7,67
3,5,10- 3 7,57
2,2,10-3 7,8,10- 3 7,26
2,0,10- 2 1,1.10-2 7,33
2,3,10- 3 1,1.10-2 7,27
2,1.10-3 5,0,10- 3 7,39
2,4,10-3 1,1.10-2
1,4,10- 3 8,1.10- 3
2,3,10- 3 1,3,10-2 7,19
2,2,10-3 1,6,10-2
2,5,10- 3 2,4,10- 2 7,04
2,9,10- 3 1,6,10-2 7,10
3,4,10- 3 2,1.10- 2 7,01
3,2,10- 3 3,5,10- 3 7,46
1,2,10-2
8,0,10- 3 7,40
7,5,10- 3 7,39
3
3,1,101,1,10-2
pC0 2 mesuré
4/5 cm
1,8,10-3
1,1.10-3
9,0,10- 4
8,0,10- 4
7,8,10- 4
2,1.10-3
2,0,10- 3
1,7,10-3
1,5,10-3
1,5,10-3
1,710-3
1,7,10-3
1,8,10-3
5,3,10- 4
1,5,10-3
9,0,10- 4
9,9,10- 4
9,8,10- 4
9,5,10- 4
7cm
6,0,10- 4
9,8,10- 4
9,0,10- 4
9,0,10- 4
7,5,10- 4
2,5,10- 3
2,4,10- 3
1,7,10-3
1,5,10-3
1,5,10-3
1,7,10-3
1,7,10-3
1,9,10-3
8,0,10- 4
1,2,10-3
1,2,10-3
1,2,10-3
1,3,10-3
1,6,10-3
10 cm
6,0,10- 4
8,5,10- 4
9,0.10- 4
1,1.10-3
7,9,10- 4
2,7.10-3
2,2,10-3
1,9,10-3
1,7,10-3
1,710-3
2,0,10-3
2,0,10- 3
2,3,10- 3
1,2,10-3
pC0 2
équil.
8,2,10- 3
4,1.10- 3
2,4,10-3
1,5,10-3
2,2,10- 3
5,5,10- 3
5,2,10- 3
4,8,10- 3
3,0,10- 3
3,0,10- 3
3,0,10- 3
2,9,10- 3
3,9,10- 3
3,3,10- 3
6,7,10- 3
5,3,10- 3
7,4,10- 3
6,7,10- 3
4,2,10- 3
1,2,10-3 1,4,10-3 2,0,10-3 2,7,10-3
1,3,10-3 1,5,10-3 2,0,10-3 2,6,10- 3
1,7,10-3 1,5,10-3 1,9,10-3 2,3,10-3
1,5,10-3
1,6,10-3
8,3,10- 4
8,9,10- 4
1,910-3
2,1.10-3
1,0,10-3
9,0,10- 4
1,2,10-3
8,5,10- 4 1,1.10-3
1,2,10-3
6,3,10- 4 8,8,10- 4
9,2,10- 4 1,2,10-4
7,0,10- 4 7,6,10- 4
1,1.10-3 1,4,10-3
1,0,10-3 1,3,10-3
1,3,10-3 1,7,10-3
8,7,10- 4 1,2,10-3
1,3,10-3 1,8,10-3
1,0,10-3
1,2,10-3
1,3,10-3
1,1.10-3
1,310-3
7,5,10- 4
8,7,10- 4
7,9,10- 4
1,2,10-3
1,5,10-3
9,5,10- 4
1,8,10-3
1,8,10-3
2,2,10- 3
1,6,10-3
2,3,10-3
2,1.10- 3
1,1.10-3
1,4,10-3
1,8,10-3
5,1.10- 3
4,1.10- 3
5,0,10- 3
2,7,10- 3
5,9,10- 3
3,3,10- 3
6,3,10- 3
7,5,10- 3
1,0,10-2
8,6,10- 3
1,2,10-2
2,1.10- 3
8,0,10- 4 1,0,10-3
2,2,10-3
8,0,10- 4 1,0,10-3 1,3,10-3 2,8,10- 3
1,2,10-3 1,3,10-3 1,6,10-3 4,3,10- 3
---------------------------------------
Tableau III : Comparaison des productions de C02 (en mole's- i par plant) calculées d'après le
modèle de diffusion en système muticouche (0) et le modèle de cinétique chimique
(J).
Comparison of CO2 evolution (in mole's- 1 per seedling) computed with the multilayer
profile diffusion model (0) and the chemical kinetic model (J).
maïs cultivé sur silice
Observations
Di
D3
E1
E2
E2
E3
E3
E3
E4
E4
E4
E4
E4
F
F
F
F
F
F
F
F
F
G
G
G
G
G
G
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
1
1
1
2
moy
moy
5
6
2
3
4
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
8
9
9
1
2
8
9
14
17
1
2
5
7
8
11
13b
17b
19
22b
23
24
25
7
9
13
0
J
2,46.10- 7
6,70.10- 8
5,29.10- 8
7,05.10- 8
3,89.10- 7
3,12.10- 7
1,96.10-7
1,76.10-7
4,06.10-7
8,10.10- 8
3,73.10- 7
6,42.10- 7
1,35.10-7
1,35.10-7
1,41.10-7
1,64.10-7
1,55.10-7
1,55.10-7
1,90.10-7
1,64.10-7
1,89.10-7
2,02.10- 7
1,05.10-7
1,52.10-7
1,80.10-7
1,63.10-7
1,11.10-7
2,00.10- 7
1,16.10-7
1,92.10-7
1,76.10-7
2,18.10- 7
1,78.10-7
2,56.10- 7
1,54.10-7
1,58.10-7
1,37.10-7
J/O
maïs cultivé sur calcaire
0
J
J/O
2,36.10- 7
9,29.10- 8
6,41.10- 8
5,45.10- 8
5,52.10- 8
1,72.10-7
1,53.10-7
1,56.10-7
1,35.10-7
1,35.10-7
1,60.10-7
1,60.10-7
1,68.10-7
3,32.10- 8
1,67.10-7
6,53.10- 8
8,29.10- 8
7,76.10- 8
5,83.10- 8
3,23.10- 7
9,35.10- 8
7,98.10- 8
2,33.10- 8
9,08.10- 8
1,14.10-7
1,20.10-7
1,18.10-7
6,64.10- 8
6,58.10- 8
4,84.10- 8
4,10.10- 8
7,44.10-8
9,63.10- 8
1,4
1,0
1,2
0,4
1,6
0,7
0,8
0,8
0,5
0,5
0,3
0,3
0,4
2,9
3,14.10- 7
4,8
2,28.10- 7
3,58.10- 7
3,21.10- 7
1,79.10-7
2,9
6,1
1,34.10-7
1,35.10-7
2,10.10- 7
1,05.10-7
1,39.10-7
3,72.10- 8
3,11.10- 8
1,92.10-8
2,51.10- 8
0,3
0,2
0,1
0,2
6,37.10- 8
6,09.10- 9
0,1
0,3
1,1
1,8
7,58.10- 8
4,85.10- 8
6,87.10- 8
3,30.10- 8
2,63.10- 7
1,82.10-7
0,4
5,4
2,6
0,8
1,5
1,8
2,0
2,7
3,4
2,4
2,4
0,1
2,0
2,2
4,37.10- 8
1,71.1 0- 7
5,83.10- 8
1,03.10-7
1,00.10-7
1,34.10-7
8,17.10- 8
1,17.10-7
9,55.10- 8
2,84.10- 7
1,37.10-7
2,88.10- 7
3,50.10- 7
5,23.10- 7
4,16.10- 7
2,2
1,7
2,3
2,8
3,5
3,9
5,1
5,73.10- 8
6,86.10- 8
9,54.10- 8
6,07.10- 8
1,7
0,9
1,94.10-7
9,25.10- 8
6,27.10- 8
0,4
0,9
8,10.10- 9
0,0
2,81.10- 7
0,7
6,01.10- 7
3,68.10- 7
2,01.1 0- 7
1,6
0,6
1,5
2,00.10- 7
1,4
1,08.10-7
3,78.10- 7
1,86.10-7
2,46.10- 7
2,87.10-7
3,99.10- 7
3,29.10- 7
5,31.10- 7
2,02.10- 7
2,19.10-7
2,62.10- 7
1,10.10-7
0,7
2,4
4,56.10- 8
2,05.10- 7
2,96.10- 7
2,98.10- 7
9,31.10- 8
3,06.10- 7
2,10.10- 7
3,85.10- 7
4,70.10- 7
7,50.10- 7
4,22.10- 7
6,11.10- 7
1,21.1 0- 8
3,23.10- 7
2,97.10- 7
1,7
3,2
1,2
1,3
1,0
105
porosité accessible à l'air. Le modèle de cinétique demande d'appréhender la quantité
d'eau contenue dans le milieu. Une erreur possible de 10 % sur la porosité entraînerait,
si la porosité était plus élevée, une augmentation de 9 à Il % de la production de CO 2
d'après le modèle de diffusion, dans les conditions expérimentales utilisées; à l'inverse,
une diminution de la porosité de 10 % conduirait à une diminution de la production de
10 à 12 %. Avec le modèle de cinétique chimique, la variation de production serait
proportionnelle à l'erreur sur la teneur en eau; elle serait inférieure à 5 %. Les
imprécisions sur les grandeurs physiques, porosité à l'air et teneur en eau, ne suffisent
pas à expliquer les divergences. L'écart entre les résultats obtenus par les deux
méthodes proviendrait de l'appréhension des valeurs de pC0 2 ; l'erreur serait dûe à la
difficulté de prélever du gaz à trois profondeurs peu distinctes dans les pots de faible
volume.
Si les productions de CO 2 estimées d'après les deux méthodes étaient semblables, il
serait possible de calculer (KELLER et al., 1987) les paramètres de la structure qui
lient la diffusion et la porosité dans l'équation A5. Les rapports des valeurs de
respiration de 1,5 à 1,8 obtenus d'après les deux méthodes, ne permettent pas d'accéder
à ces paramètres.
En conclusion, la quantification de la production de CO 2 par le sol est délicate. La
méthode du profil de concentration en C02 et la méthode cinétique donnent des
résultats comparables, mais qui présentent des écarts. Une meilleure connaissance de la
cinétique à l'interface gaz - solution permettrait peut-être d'améliorer la concordance
des résultats. Les résultats obtenus avec les autres méthodes peuvent également donner
des valeurs éloignées (DE JONG et al., 1979). La production de CO 2 par le sol ne
pourrait donc être obtenue que de façon approchée.
Remerciements: Les auteurs souhaitent exprimer leurs remerciements à G. Bourrié et P. Renault
pour leur lecture critique du manuscrit.
Reçu pour publication: Janvier 1993
Accepté pour publication: Août 1993
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107

Comparaison d`une méthode de diffusion et d`une méthode

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